JP2011173441A

JP2011173441A - 電気車制御装置

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Publication number: JP2011173441A
Application number: JP2010036954A
Authority: JP
Inventors: Shingo Makishima; 信吾牧島
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP5528154B2

Abstract

【課題】アクティブサスペンションや軸ばねの可変特性といったハードウェアの追加や変更を不要とし、電力変換回路の数を抑制して車体の振動乗り心地を改善する。
【解決手段】車体が搭載される２台の台車のうち，前方の台車の前方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の前方の台車を駆動する電動機とが並列接続され，前方の台車の後方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の後方の車輪を駆動する電動機とが並列接続され，２組の並列接続した電動機の組み合わせに対し逆方向の振動トルクが重畳するように制御することにより電動機のトルク変動を用いて２台の台車に同一の上下力を発生させてそれぞれの台車の上下振動を抑制することにより車体が前後線対称形状に弾性変形する振動を間接的に抑制することを特徴とする電気車制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車の駆動及び振動制御を行う電気車制御装置に関するものであり、特に振動乗り心地向上に関するものである。

図３から図７に従来の技術による電気車制御装置の一例を示し、この図に基づいて従来の技術を説明する。

車体１の運転台にある主幹制御器２を運転士が操作することにより、加速指令が出力され電動機制御装置３に入力される。電動機制御装置３に入力された加速指令はトルク制御器３１によってトルク指令に変換される。トルク指令は電流制御器３２に入力され、電力変換回路３３に流れる電流がトルク指令と対応した電流となるように電圧指令を生成する。また同時に、電流制御器は電圧指令と電力変換回路３３に流れる電流から電動機６１の回転速度を推定する。電力変換回路３３は、集電装置４とレール５の間の電圧を用いて、電圧指令と等価的な電圧を台車６に搭載されている電動機６１に電圧を印加する。（例えば特許文献１）

台車６を上から見た図を図５に、横から見た図を図６に示す。台車６を横から見た際に構成が複雑でるため、図６では３つの図に分割したが、全て同一の台車６に組み込まれる構成である。

台車６は走行用の車輪６２が２組あり、車輪６２と台車枠６３は上下方向が軸ばね６４、前後方向は前後支持装置６５で結合されている。また、台車枠６３と車体１は、上下方向が空気ばね６６で、前後方向は牽引装置６７で結合されている。

電動機６１のトルクは、継手６８を介して駆動装置６９に入力される。駆動装置６９の小歯車６９１は歯車箱６９２に取り付けられている。小歯車６９１は車輪６２とつながった大歯車６９３と噛み合って車輪６２を回転させる。この時に、歯車箱６９２が回転運動をすることを防ぐために、台車枠６３と結合する吊りリンク６９４によって歯車箱６９２の回転運動を防いでいる。

車輪６２はレール５上を走行するが、レール５の凹凸により上下に振動する。上下振動は、軸ばね６４及び空気ばね６６により吸収されるが、一部は車体１に伝達される。しかしながら、レール５の凹凸が大きいと十分に振動が減衰されずに車体１の振動も大きくなるため、乗り心地の悪化を招く。

軸ばね６４によって台車枠と軸箱の間の振動が吸収されるが、電動機６１は台車枠６３に結合されているため電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれる。そのために、継手６８により電動機６１と小歯車６９１の相対位置がずれてもトルクが伝わるようになっている。

台車６、電動機６１、車輪６２は一つの車体１に対して複数存在するため、説明の際に区別が必要な場合は下記のように記す。一両の車体１の中に２台の台車６が搭載されているうちの、前方のものを前台車６Ｆ、後方のものを後台車６Ｒとする。また、４台搭載されている電動機６１は、前から順に第１電動機６１１、第２電動機６１２、第３電動機６１３、第４電動機６１４とし、４つある車輪６２は、前方から順に、第1車輪６２１、第２車輪６２２、第３車輪６２３、第４車輪６２４、とする。電動機６１と車輪６２は同一番号のものが組み合わされており、第１電動機６１１と第1車輪６２１及び第２電動機６１２と第２車輪６２２は前台車６Ｆに、第３電動機６１３と第３車輪６２３及び第４電動機６１４と第４車輪６２４は前台車６Ｒに搭載されている。

車体１の振動の形態として、車体全体が振動する剛体振動と呼ばれる振動形状以外に、車体自体が変形する弾性振動もしくは曲げ振動といわれる振動形態がある。特に図７に示すような形に車体が変形する弾性一次振動もしくは曲げ一次振動と呼ばれる振動は、固有振動数が８〜１０Ｈｚ程度であり、乗客が敏感に感ずる周波数帯域と一致するため乗り心地の悪化につながる。また、弾性一次振動の固有振動数は、台車枠６３の上下振動の固有振動数に近いため軌道の凹凸によって台車枠６３が上下に振動し弾性一次振動が増大しやすい。そのため、軌道の凹凸があると弾性一次振動が増大し乗り心地の悪化を招く。

車体１の振動を抑制するために、アクティブサスペンションを台車枠６３と車体１の間に設ける場合がある。アクティブサスペンションは、車体１の振動を検出して車体１の振動を抑制するような力を発生する。（例えば、特許文献２）

また、軸ばね６４の特性を可変にすることによって、台車枠６３の上下振動を制御し、間接的に車体１の振動の抑制を行う手法も提案されている。（例えば、特許文献３）

しかしながら、アクティブサスペンションや軸ばねの特性を可変にすることによる振動制御は、新たなハードウェアの追加や改造が必要であり、コストを有する。その一方で、既存のハードウェアを用いて振動を抑制する手法として、電動機６１のトルクを用いて車体振動を抑制することも可能である。図８から図９を用いてその詳細を説明する。

電動機６１のトルクが発生すると、駆動装置６９の小歯車６９１は大歯車周りに公転運動をしようとする。しかしながら、小歯車６９１は歯車箱６９２に設置されており、歯車箱６９２は吊りリンク６９４によって台車枠６３に結合されていることから、小歯車６９１の公転運動を抑制するように力を発生する。この力の反作用が台車枠６３にかかるため、電動機６１のトルクによって台車枠６３は力を受ける。

２台の電動機６１に逆方向にトルクをかけた場合、図８に示すように台車枠６３に対して吊りリンクからの力が働く。吊りリンク６９４によって発生する力によって台車枠の上下方向に重なり合うため、２台の電動機６１に逆方向のトルクをかけることにより、台車枠の上下運動を制御できる。

加速度センサ６３１がそれぞれの台車枠６３につけられ、台車枠６３の上下振動加速度を検出する。加速度センサ６３１の出力は、積分器３４が積分することにより台車枠６３上下絶対速度に変換される。積分器３４の出力が比例器３５により増幅したものを、該当する台車の電動機６１に対応するトルク指令のうち、一方から減算しもう一方には加算する。

この構成により、台車枠６３の上下絶対速度に比例した振動トルクが２台の電動機６１に逆方向に重畳される。逆方向の振動トルクは、［００１５］に示した原理により台車枠６３の上下力として作用する。台車枠６３の上下振動絶対速度に比例した逆方向の力が台車枠６３に発生することにより、台車枠６３の上下振動を抑制できる。

レールに凹凸がある場合、車輪６２→軸ばね６４→台車枠６３→空気ばね６６→車体１の順に減衰しながら伝達される。そこで、台車枠６３の振動を抑制することにより、車体１への振動伝達がなくなり、レールに凹凸があっても車体１の振動を抑制することができる。特に、車体１の弾性一次振動は台車枠６３の上下振動と固有振動数が近いため、台車枠６３の振動抑制により大幅に車体１の弾性一次振動が低減できる。

特開２００５−１６０２４５号公報特開平７−２６７０８５号公報特開２００５−１４５３１２号公報

電気鉄道車両においては、複数の電動機６１を並列接続させて一台の電力変換回路により駆動する場合が多い。電力変換回路３３は、高価な半導体素子を利用しており、またスペースの多くとるため、一台の電力変換回路３３により複数の電動機６１を駆動することにより、電力変換回路の数を削減することができコスト削減及び小型化に貢献することが可能である。

しかしながら、一台の電力変換回路３３で複数の電動機６１を並列に接続すると、並列に接続された電動機６１のトルクを独立に制御することはできない。そのため、［００１６］に示した２台の電動機に逆方向のトルクをかけて台車枠に上下力を発生させるためには、それぞれ異なる電力変換回路３３が必要となる。そのため、電力変換回路のコストやスペースが問題となる。

請求項１の発明によれば、車輪を有する２台の台車の上に車体が搭載されている電気車を制御する電気車制御装置において、２台の該台車に同一の上下力を発生させてそれぞれの２台の前記台車の上下振動を抑制することにより、該車体が前後線対称形状に弾性変形する振動を間接的に抑制することを特徴とする電気車制御装置。

請求項２の発明によれば、２台の前記台車内にそれぞれ２台の電動機を有しそれぞれの該電動機が駆動装置を介して独立に車輪を駆動することにより加減速する電気車において、前記電気車制御装置は前記電動機を制御するものであり、それぞれの前記電動機のトルクに振動成分を重畳させることにより前記台車の上下振動を抑制することを特徴とする請求項1に記載の電気車制御装置。

請求項３の発明によれば、前記車体が搭載される２台の前記台車のうち、前方の台車の前方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の前方の台車を駆動する電動機とが電気的に並列接続され、前方の台車の後方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の後方の車輪を駆動する電動機とが電気的に並列接続され、前記２組の電気的に並列接続した電動機の組み合わせに対し逆方向の振動トルクが重畳するように制御することを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。

請求項４の発明によれば、２台の前記台車の上下振動の絶対速度の和に比例して逆方向となるような上下力を２台の前記台車に発生させることにより前記台車の上下振動抑制を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの１項に記載の電気車制御装置。

電動機を並列接続した状態であっても、電動機トルクによる車体の振動抑制を実現する。

本発明の実施例１に係る電気車制御装置の一例を説明する図である。本発明の実施例１に係る電気車制御装置の制御系の一例である。従来の技術による電気車制御装置の一例を説明する図である。従来の技術による電気車制御装置の制御系の一例である。電気車制御装置の台車の上面図の一例である。電気車制御装置の台車の側面図の一例である。電気車の車体の弾性一次振動を説明する図である。電動機トルクを用いた車体振動抑制の原理を説明する図である従来の技術による電気車制御装置の制御系の一例である。

以下に図面を参照して、本発明にかかる電気車制御装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１及び図２を用いて請求項１の発明の一実施例について説明するが、従来の技術と同一部分は省略する。

前台車６Ｆの第１電動機６１１と後台車６Ｒの第３電動機６１３を電気的に並列接続し、第１電力変換回路３３１で駆動する。同様に前台車６Ｆの第２電動機６１２と後台車６Ｒの第４電動機６１４を電気的に並列接続し、第２電力変換回路３３２で駆動する。

前台車６１Ｆの台車枠６３に搭載された加速度センサ６３１と前台車６１Ｒの台車枠６３に搭載された加速度センサ６３１の出力の和をとり、積分器３４が積分することにより２台の台車枠６３上下絶対速度の和が得られる。積分器３４の出力が比例器３５により増幅したものをトルク指令から減算したものを第１電流制御器３２１に入力し、加算したものを第２電流制御器３２２に入力する。第１電流制御器３２１は第１電力変換回路３３１に流れる電流を、第２電流制御器３２２は第２電力変換回路３３２に流れる電流を制御し、それぞれの電力変換回路３３に接続された電動機のトルクが電流制御器３２の入力に一致するように制御される。

上記構成により、２台の台車６の台車枠６３の上下速度の和に比例して逆方向の上下力が、２台の台車枠６３に発生することになる。

弾性一次振動は、前後線対象の形状であるため、前方と後方で同位相に上下力を発生することにより抑制可能である。すなわち、前後の台車枠６３に同一方向に力を発生することにより、弾性一次振動が抑制される。

台車の上下振動の抑制には、台車枠６３の上下絶対速度に比例した力を発生できれば良い。弾性一次振動に対しては、２台の台車枠６３の上下運動の和により加振される。つまり、２台の台車枠６３の上下速度の和を抑制できれば良いため、２台の台車枠６３の上下絶対速度の和に比例した力を発生すれば良い。

本構成により、これまで電動機のトルクで車体振動を抑制するには４台の電力変換回路が必要であったのに対し、２台の電力変換回路で振動抑制を実現できる。

本発明は、電気鉄道車両の駆動システムに有効である。また既存の車両のハードウェアの変更なしに実現でき、電力変換回路の数も抑制できるため、極めて有効である。

１車体
２主幹制御器
３電動機制御装置
３１トルク制御器
３２電流制御器
３２１第１電流制御器
３２２第２電流制御器
３３電力変換回路
３３１第１電力変換回路
３３２第２電力変換回路
３４積分器
３５比例器
３６フィルタ
４集電装置
５レール
６台車
６Ｆ前台車
６Ｒ後台車
６１電動機
６１１第１電動機
６１２第２電動機
６１３第３電動機
６１４第４電動機
６２車輪
６２１第１車輪
６２２第２車輪
６２３第３車輪
６２４第４車輪
６３台車枠
６３１加速度センサ
６４軸ばね
６５前後支持装置
６６空気ばね
６７牽引装置
６８継手
６９駆動装置
６９１小歯車
６９２歯車箱
６９３大歯車
６９４吊りリンク

Claims

車輪を有する２台の台車の上に車体が搭載されている電気車を制御する電気車制御装置において、２台の該台車に同一の上下力を発生させてそれぞれの２台の前記台車の上下振動を抑制することにより、該車体が前後線対称形状に弾性変形する振動を間接的に抑制することを特徴とする電気車制御装置。
２台の前記台車内にそれぞれ２台の電動機を有しそれぞれの該電動機が駆動装置を介して独立に車輪を駆動することにより加減速する電気車において、前記電気車制御装置は前記電動機を制御するものであり、それぞれの前記電動機のトルクに振動成分を重畳させることにより前記台車の上下振動を抑制することを特徴とする請求項１に記載の電気車制御装置。
前記車体が搭載される２台の前記台車のうち、前方の台車の前方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の前方の台車を駆動する電動機とが電気的に並列接続され、前方の台車の後方の車輪を駆動する電動機と後方の台車の後方の車輪を駆動する電動機とが電気的に並列接続され、前記２組の電気的に並列接続した電動機の組み合わせに対し逆方向の振動トルクが重畳するように制御することを特徴とする請求項２に記載の電気車制御装置。
２台の前記台車の上下振動の絶対速度の和に比例して逆方向となるような上下力を２台の前記台車に発生させることにより前記台車の上下振動抑制を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの１項に記載の電気車制御装置。